Tartalomjegyzék:
- Hőszivattyú előzményei
- A hőszivattyú felépítése és működési elve
- A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai
- A végén
Videó: Hőszivattyú - Fűtéshez Hőt Veszünk A Föld Bolygóról
2024 Szerző: Douglas Hoggarth | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 13:32
- Hőszivattyú előzményei
- A hőszivattyú felépítése és működési elve
- A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai
- A végén
A téli hideg legyőzése érdekében a háztulajdonosok energiát és megfelelő fűtőkazánokat keresnek, megirigyelve a szerencséseket, akiknek házai földgázt szállító kommunikációval vannak ellátva. Minden télen ezer tonna fát, szenet, kőolajtermékeket égetnek el a kályhákban, megawatt áramot fogyasztanak csillagászati mennyiségekért, amelyek évente nőnek, és úgy tűnik, hogy egyszerűen nincs más kiút. Eközben egy állandó hőenergia-forrás mindig otthonunk közelében található, azonban a Föld lakosságának meglehetősen nehéz ezt a képességet észrevennie. De mi van akkor, ha bolygónk hőjét felhasználjuk házak fűtésére? Ehhez pedig van egy megfelelő eszköz - geotermikus hőszivattyú.
Hőszivattyú előzményei
Az ilyen eszközök 1824-es működésének elméleti megalapozottságát Sadi Carnot francia fizikus szolgáltatta, aki egyetlen gőzgépekről szóló munkáját publikálta, amely leírta a termodinamikai ciklust, amelyet matematikailag és grafikusan 10 évvel később Benoit Cliperon fizikus megerősített és "Carnot-ciklusnak" nevezett.
A hőszivattyú első laboratóriumi modelljét William Thomson angol fizikus, Lord Kelvin készítette 1852-ben, termodinamikai kísérletei során. A hőszivattyú egyébként Lord Kelvintől kapta a nevét.
William Thomson, báró Kelvin
Az ipari hőszivattyús modellt 1856-ban Peter von Rittinger osztrák bányamérnök készítette, aki ezt a készüléket sóoldat elpárologtatásához és a sós mocsarak lecsapolásához használta a száraz só kinyerésére.
Peter Ritter von Rittinger
A hőszivattyú azonban a házak fűtésében való használatát az amerikai feltalálónak, Robert Webbernek köszönheti, aki a múlt század 40-es évek végén fagyasztóval kísérletezett. Robert észrevette, hogy a fagyasztóból kilépő cső forró, és úgy döntött, hogy ezt a hőt háztartási célokra használja fel, meghosszabbítva a csövet és átengedve a kazánon vízzel. A feltaláló ötlete sikeresnek bizonyult - ettől a pillanattól kezdve a háztartásban rengeteg meleg víz volt, míg a hő egy részét céltalanul költötték el, elhagyva a légkört. Webber ezt nem tudta elfogadni, és feltett egy tekercset a fagyasztó nyílásába, amely mellé ventilátort helyezett el, aminek eredményeként a ház levegőfűtésére van szükség. Egy idő után a találékony amerikai kitaláltahogy szó szerint lehet hőt kivonni a talajból a lába alá, és egy bizonyos mélységben eltemetni egy rézcsövek rendszerét, amelyeken freon kering keresztül. A gáz összegyűjtötte a hőt a földben, a házba szállította és eladta, majd visszatért a föld alatti hőgyűjtőbe. A Webber által létrehozott hőszivattyú olyan hatékonynak bizonyult, hogy teljesen átállította a ház fűtését erre a telepítésre, elhagyta a hagyományos fűtőberendezéseket és az energiahordozókat.
A Robert Webber által feltalált hőszivattyút sok éven át inkább abszurditásnak tekintették, mint valóban hatékony hőenergia-forrásnak - az olajenergia bőségesen, meglehetősen elfogadható áron volt. A megújuló hőforrások iránti érdeklődés a hetvenes évek elején nőtt, köszönhetően az 1973-as olajembargónak, amelynek során az öböl országai egyhangúlag megtagadták az olaj szállítását az Egyesült Államokba és Európába. A kőolajtermékek hiánya az energiaárak ugrásszerű megugrását okozta - sürgősen ki kellett lépni a helyzetből. Az embargó ezt követő, 1975-ös megszüntetése és az olajellátás helyreállítása ellenére az európai és amerikai gyártók felfogták saját földi hőszivattyú-modelljeik kifejlesztését, amelyek iránti kereslet azóta csak növekszik.
A hőszivattyú felépítése és működési elve
Amint a földkéregbe süllyedünk, amelynek felszínén élünk, és amelynek vastagsága a szárazföldön körülbelül 50–80 km, hőmérséklete emelkedik - ez a magma felső rétegének közelségének köszönhető, amelynek hőmérséklete megközelítőleg 1300 ° C. 3 méter vagy annál nagyobb mélységben a talaj hőmérséklete az év bármely szakában pozitív, minden egyes mélységkilométer esetében átlagosan 3–10 ° C-kal emelkedik. A talaj hőmérsékletének emelkedése a mélységével nemcsak az éghajlati zónától, hanem a talaj geológiájától, valamint a Föld adott területének endogén aktivitásától is függ. Például az afrikai kontinens déli részén a talajmélység egy kilométerére eső hőmérséklet-emelkedés 8 ° C, és Oregon államban (USA), amelynek területén meglehetősen magas endogén aktivitás figyelhető meg - 150 ° C minden egyes mélységkilométerre. A hőszivattyú hatékony működése érdekében azonban a hőt ellátó külső áramkört nem kell több száz méterre a föld alá temetni - bármely 0 ° C feletti hőmérsékletű közeg hőenergia-forrás lehet.
A hőszivattyú a levegőből, a vízből vagy a talajból származó hőenergiát továbbítja, növelve az átadás során a hőmérsékletet a kívánt hőmérsékletre a hűtőközeg összenyomódása (kompressziója) miatt. A hőszivattyúknak két fő típusa van - kompressziós és szorpciós.
A kompressziós hőszivattyú alapszerkezete: 1 - föld; 2 - sóoldat keringése; 3 - cirkulációs szivattyú; 4 - párologtató; 5 - kompresszor; 6 - kondenzátor; 7 - fűtési rendszer; 8 - hűtőközeg; 9 - fojtószelep
A zavaros név ellenére a kompressziós hőszivattyúk nem fűtőberendezések, hanem hűtőberendezések, mivel ugyanazon az elven működnek, mint minden hűtőszekrény vagy légkondicionáló. A hőszivattyú és a számunkra jól ismert hűtőegységek közötti különbség az, hogy működéséhez általában két áramkörre van szükség - egy belsőre, amelyben a hűtőközeg kering, és egy külsőre, hűtőfolyadék-körforgásra.
A készülék működése során a belső áramkör hűtőközege a következő szakaszokon megy keresztül:
- a lehűlt hűtőközeg folyékony állapotban a kapilláris nyíláson keresztül jut be a párologtatóba. Gyors nyomáscsökkenés hatására a hűtőközeg elpárolog és gázállapotba kerül. A párologtató ívelt csövei mentén haladva és a mozgás során érintkezésbe lépve egy gáznemű vagy folyékony hőhordozóval, a hűtőközeg alacsony hőmérsékletű hőenergiát kap tőle, majd bejut a kompresszorba;
- a kompresszor kamrájában a hűtőközeg összenyomódik, miközben nyomása meredeken emelkedik, ami a hűtőközeg hőmérsékletének emelkedését okozza;
- a kompresszorból a forró hűtőközeg követi az áramkört a kondenzátor tekercsében, amely hőcserélőként működik - itt a hűtőközeg hőt ad le (kb. 80–130 ° C) a ház fűtőkörében keringő hűtőfolyadéknak. A hőenergia legnagyobb részének elvesztése után a hűtőközeg folyékony állapotba kerül;
- amikor a tágulási szelepen (kapillárison) áthalad - a hőszivattyú belső áramkörében található, követve a hőcserélőt - a hűtőközegben a maradék nyomás csökken, majd bejut a párologtatóba. Ettől a pillanattól kezdve a munkaciklus ismétlődik.
A léghőszivattyú működési elve
Így a hőszivattyú belső szerkezete kapillárisból (tágulási szelep), párologtatóból, kompresszorból és kondenzátorból áll. A kompresszor működését egy elektronikus termosztát vezérli, amely megszakítja a kompresszor áramellátását, és ezáltal leállítja a hőtermelés folyamatát, amikor a házban beállítják a beállított levegő hőmérsékletét. Amikor a hőmérséklet egy bizonyos szint alá csökken, a termosztát automatikusan bekapcsolja a kompresszort.
Az R-134a vagy R-600a freonok hűtőközegként keringenek a hőszivattyú belső áramkörében - az első tetrafluor-etánra, a második izobutánra épül. Mindkét hűtőközeg biztonságos a Föld ózonrétege számára és környezetbarát. A kompressziós hőszivattyúk elektromos motorral vagy belső égésű motorral működhetnek.
A szorbciós hőszivattyúk abszorpciót alkalmaznak - egy fizikai-kémiai folyamatot, amelynek során egy gáz vagy folyadék térfogata nő egy másik folyadék hatására a hőmérséklet és a nyomás hatására.
Abszorpciós hőszivattyú sematikus rajza: 1 - fűtött víz; 2 - hűtött víz; 3 - fűtőgőz; 4 - fűtött víz; 5 - párologtató; 6 - generátor; 7 - kondenzátor; 8 - nem kondenzálható gázok; 9 - vákuumszivattyú; 10 - gőz kondenzátum melegítése; 11 - oldatos hőcserélő; 12 - gázelválasztó; 13 - abszorber; 14 - habarcsszivattyú; 15 - hűtőfolyadék szivattyú
Az abszorpciós hőszivattyúk földgáz termikus kompresszorral vannak felszerelve. Körükben van egy hűtőközeg (általában ammónia), amely alacsony hőmérsékleten és nyomáson elpárolog, miközben hőenergiát szív el a keringési kört körülvevő környezetből. Gőzállapotban a hűtőközeg bejut a hőcserélő-abszorberbe, ahol oldószer (általában víz) jelenlétében abszorbeálódik, és a hő átkerül az oldószerbe. Az oldószert egy termoszifonnal szállítják, amely a hűtőközeg és az oldószer közötti nyomáskülönbségen keresztül kering, vagy nagy teljesítményű létesítményekben alacsony energiájú szivattyúval.
A hűtőközeg és az oldószer egyesítésének eredményeként, amelyek forráspontjai különböznek, a hűtőközeg által szolgáltatott hő elpárolog. A magas hőmérsékletű és nyomású gőz állapotú hűtőközeg az áramkörön keresztül bejut a kondenzátorba, folyékony állapotba kerül és hőt ad le a fűtési hálózat hőcserélőjének. A tágulási szelepen való áthaladás után a hűtőközeg visszatér eredeti termodinamikai állapotába, és az oldószer ugyanúgy visszaáll eredeti állapotába.
Az abszorpciós hőszivattyúk előnye, hogy képesek működni bármilyen hőenergia-forrásból, és a mozgó elemek teljes hiánya, vagyis zajtalanság. Hátrányok - kisebb teljesítmény, a kompressziós egységekhez képest, magas költségek, a tervezés bonyolultsága és a nehezen feldolgozható korrózióálló anyagok használata miatt.
Abszorpciós hőszivattyú egység
Az adszorpciós hőszivattyúk szilárd anyagokat, például szilikagélt, aktív szenet vagy zeolitot használnak. Az első, deszorpciós fázisnak nevezett munkafolyamat során hőenergiát juttatnak a hőcserélő kamrába, amelyet belülről egy szorbens, például egy gázégő borít. A melegítés a hűtőközeg (víz) elpárologtatását eredményezi, a keletkező gőzt a második hőcserélőbe juttatják, amely az első fázisban leadja a fűtőrendszerbe történő gőz kondenzációja során nyert hőt. A szorbens teljes megszáradása és a víz kondenzációjának befejezése a második hőcserélőben befejezi a munka első szakaszát - leáll a hőenergia-ellátás az első hőcserélő kamrájába. A második szakaszban a kondenzvíz-hőcserélő párologtatóvá válik, amely hőenergiát juttat a hűtőközegbe a külső környezetből. A 0,6 kPa-t elérő nyomásarány eredményekénta külső környezet hőjének érintkezésekor a hűtőközeg elpárolog - a vízgőz az első hőcserélőbe kerül, ahol a szorbensbe adszorbeálódik. Az adszorpciós folyamat során a gőz által leadott hő átkerül a fűtési rendszerbe, majd a ciklus megismétlődik. Meg kell jegyezni, hogy az adszorpciós hőszivattyúk nem alkalmasak háztartási használatra - csak nagy épületek (400 m2), a kevésbé hatékony modellek még fejlesztés alatt állnak.
A hőszivattyúk hőgyűjtőinek típusai
A hőszivattyúk hőenergia-forrásai különbözőek lehetnek - geotermikus (zárt és nyitott típusú), levegő, másodlagos hő felhasználásával. Vizsgáljuk meg ezeket a forrásokat részletesebben.
A földi hőszivattyúk a talaj vagy a talajvíz hőenergiáját fogyasztják, és két típusra oszthatók - zárt és nyitott. A zárt hőforrásokat fel lehet osztani:
Vízszintesen, míg a hőt gyűjtő kollektor gyűrűkben vagy cikk-cakkban helyezkedik el az 1,3 méter vagy annál nagyobb mélységű (a fagyási mélység alatti) árkokban. Ez a módszer a hőgyűjtő áramkör elhelyezésére kis földterülettel hatékony
Geotermikus fűtés vízszintes hőgyűjtővel
A függőleges, azaz a hőgyűjtő kollektorát a talajba merített függőleges kutakba helyezzük 200 m mélységig. A kollektor elhelyezésének ezt a módszerét akkor alkalmazzák, amikor a kontúr vízszintes lefektetése nem lehetséges, vagy fennáll a táj megzavarásának veszélye
Geotermikus fűtés függőleges hőgyűjtővel
Víz, miközben az áramkör kollektora cikk-cakk vagy gyűrű alakú módon helyezkedik el a tározó alján, a fagyás szintje alatt. A kutak fúrásához képest ez a módszer a legolcsóbb, de régiótól függően függ a tározóban lévő víz mélységétől és teljes mennyiségétől
A nyílt típusú hőszivattyúkban vizet használnak a hőcseréhez, amelyet a hőszivattyún való áthaladás után visszavezetnek a földbe. Csak akkor lehet ezt a módszert alkalmazni, ha a víz kémiailag tiszta, és ha a törvény szempontjából megengedett a felszín alatti víz használata ebben a szerepben.
Nyitott típusú geotermikus fűtés
A légáramkörökben ennek megfelelően a levegőt hőenergia-forrásként használják.
Fűtés légi hőszivattyúval
A másodlagos (származékos) hőforrásokat általában olyan vállalkozásoknál alkalmazzák, amelyek működési ciklusa harmadik fél (parazita) hőenergia előállításához kapcsolódik, amely további felhasználást igényel.
A hőszivattyúk első modelljei teljesen hasonlóak voltak a Robert Webber által kitalált, fent leírt kivitelhez - az áramkör rézcsövei, amelyek egyszerre működtek külső és belső funkciókkal, a bennük keringő hűtőközeggel, a földbe merültek. Az ilyen kivitelű párologtatót a fagyás mélységét meghaladó mélységben, vagy a szögben (40–60 mm átmérőjű) 15–30 m mélységig fúrt szögletes vagy függőleges kutakba helyezték. A közvetlen cserélő áramkör (ezt a nevet kapta) lehetővé teszi, hogy kicsi átmérőjű csövek használata esetén közbenső hőcserélő nélkül. A közvetlen csere nem igényli a hűtőfolyadék kényszerű szivattyúzását, mivel nincs szükség cirkulációs szivattyúra, így kevesebb áramot költenek el. Kívül,A közvetlen csereáramkörrel rendelkező hőszivattyú hatékonyan használható alacsony hőmérsékleten is - bármely tárgy hőt bocsát ki, ha hőmérséklete meghaladja az abszolút nulla (-273,15 ° C) értéket, és a hűtőközeg -40 ° C-ig elpárologhat. Ennek az áramkörnek a hátrányai: nagy hűtőközegigény; magas rézcsövek költségei; a rézszakaszok megbízható csatlakoztatása csak forrasztással lehetséges, különben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajokban.ellenkező esetben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajokban.ellenkező esetben a hűtőközeg szivárgása nem kerülhető el; katódos védelem szükségessége savas talajokban.
A levegőből történő hőbevitel a legalkalmasabb forró éghajlatra, mivel mínusz alatti hőmérsékleten annak hatékonysága komolyan csökken, ami további fűtési forrásokat igényel. A léghőszivattyúk előnye, hogy nincs szükség drága kutak fúrására, mivel a párologtatóval és ventilátorral ellátott külső áramkör a háztól nem messze található. Egyébként bármely monoblokk vagy split-légkondicionáló rendszer az egykörös léghőszivattyú képviselője. Például a 24 kW teljesítményű léghőszivattyú költsége körülbelül 163 000 rubel.
Levegő hőszivattyú
A tározóból származó hőenergiát úgy vonják ki, hogy műanyag csövekből álló áramkört fektetnek a folyó vagy a tó fenekére. Fektetési mélység 2 méterről a csöveket az aljára nyomják, 5 kg / méter hosszú terheléssel. Mintegy 30 W hőenergia nyerhető ki egy ilyen áramkör minden egyes futóórájából, vagyis egy 10 kW-os hőszivattyúhoz 300 m teljes hosszúságú áramkörre lesz szükség. Az ilyen áramkör előnyei a viszonylag alacsony költségek és a könnyű telepítés, hátrányok - súlyos fagyok esetén lehetetlen hőenergiát nyerni …
A hőszivattyú áramkörének tárolása
A talajból származó hő kinyerése érdekében egy PVC-csőhurkot helyeznek egy gödörbe, amelyet a fagyási mélységet legalább fél méterrel meghaladó mélységig ásnak. A csövek közötti távolságnak körülbelül 1,5 m-nek kell lennie, a bennük keringő hűtőfolyadék fagyálló (általában vizes nátrium-klorid-oldat). A talajkontúr hatékony működése közvetlenül összefügg a talaj nedvességtartalmával annak elhelyezésének helyén - ha a talaj homokos, vagyis nem képes visszatartani a vizet, akkor a kontúr hosszát hozzávetőlegesen meg kell duplázni. A hőszivattyú az éghajlati zónától és a talaj típusától függően átlagosan 30–60 W hőenergiát képes kinyerni a talaj kontúrjának futó méteréből. A 10 kW-os hőszivattyúhoz 400 méteres áramkörre van szükség, amelyet egy 400 m 2 -es helyre kell lefektetni. A talajkörös hőszivattyú költsége körülbelül 500 000 rubel.
A vízszintes kontúr földbe fektetése
A kőzet hőjének visszanyeréséhez vagy 168–324 mm átmérőjű kutak lefektetése szükséges 100 méter mélységig, vagy több sekélyebb kút kivitelezése szükséges. Minden egyes kútba leeresztik a kontúrt, amely két műanyag csőből áll, amelyek a legalacsonyabb ponton vannak összekötve egy U U alakú, súlyként működő csővel. Fagyálló folyadék kering a csöveken - csak 30% -os etil-alkohol oldat, mivel szivárgás esetén nem károsítja a környezetet. A benne elhelyezett kontúrral ellátott kút végül megtelik talajvízzel, amely hőt juttat a hűtőfolyadékhoz. Egy ilyen kút minden métere körülbelül 50 W hőenergiát eredményez, vagyis egy 10 kW-os hőszivattyúhoz 170 m-es kút kell fúrni. A nagyobb hőenergia megszerzéséhez nem kifizetődő 200 m-nél mélyebb kutat fúrni - jobb, ha több kisebb kutat készítünk közöttük 15–20 m távolságban. Minél nagyobb a fúrólyuk átmérője, annál sekélyebben kell fúrni, ugyanakkor nagyobb hőenergia-bevitel érhető el - körülbelül 600 W / futó méter.
Geotermikus szonda felszerelése
A talajban vagy a tározóban elhelyezett kontúrokhoz képest a kútban lévő kontúr minimális helyet foglal el a helyszínen, maga a kút bármilyen típusú talajban elkészíthető, beleértve a kőzetet is. A kútkörből származó hőátadás az év bármely szakában és bármilyen időjárás esetén stabil lesz. Egy ilyen hőszivattyú megtérülése azonban több évtizedet vesz igénybe, mivel telepítése több mint egymillió rubelbe kerül a háztulajdonosnak.
A végén
A hőszivattyúk előnye a magas hatásfok, mivel ezek az egységek óránként legfeljebb 350 watt villamos energiát fogyasztanak, hogy óránként egy kilowatt hőenergiát kapjanak. Összehasonlításképpen: az üzemanyagok elégetésével villamos energiát termelő erőművek hatékonysága nem haladja meg az 50% -ot. A hőszivattyús rendszer automatikus üzemmódban működik, az üzemeltetési költségek rendkívül alacsonyak - a kompresszor és a szivattyúk működtetéséhez csak villamos energiára van szükség. A hőszivattyú egység méretei megközelítőleg megegyeznek a háztartási hűtőszekrény méreteivel, az üzem közbeni zajszint szintén egybeesik a háztartási hűtőegység ugyanazzal a paraméterével.
Hőszivattyú "sós víz"
A hőszivattyú használható mind hőenergia megszerzésére, mind annak eltávolítására - az áramkörök működésének hűtésre kapcsolásával, míg a ház helyiségeiből származó hőenergia a külső áramkörön keresztül a talajba, a vízbe vagy a levegőbe kerül.
A hőszivattyú alapú fűtési rendszer egyetlen hátránya a magas költség. Európában, valamint az USA-ban és Japánban a hőszivattyú-telepítések meglehetősen gyakoriak - Svédországban több mint félmillió, Japánban és az USA-ban (főleg Oregonban) - több millió. A hőszivattyúk népszerűsége ezekben az országokban annak köszönhető, hogy kormányzati programok támogatják támogatásokat és kompenzációkat a háztulajdonosoknak, akik ilyen berendezéseket telepítettek.
Kétségtelen, hogy a közeljövőben a hőszivattyúk már nem lesznek valami külföldiek Oroszországban, ha figyelembe vesszük a földgáz árának éves növekedését, amely ma a hőszivattyúk egyetlen versenytársa a hőenergia megszerzésének pénzügyi költségei szempontjából.
Ajánlott:
Klímát Veszünk
A légkondicionáló nem szokásos háztartási készülék, ami elegendő a csatlakozáshoz - és már működik is. A legfontosabb itt nem maga a berendezés, hanem az, hogy mennyire profi lesz
Garázs és Föld Alatt: Tulajdonjog Bejegyzése és Privatizáció
Az autó a mi korunkban nem luxus, hanem közlekedési eszköz, de a garázs, amelyben ezt az autót eltemetheti az időjárás és az udvariatlan megjelenés, a nagyvárosokban fokozatosan a leginkább
A Hőpisztoly Választása - Minden Tényezőt Figyelembe Veszünk
A hőlégfúvókkal, azok típusaival kapcsolatban már beszéltünk a webhelyünk oldalán. Amint megtudtuk, ez a berendezés, a hőfegyverek, teljes mértékben az éghajlati felszerelések kategóriájához köthető, mivel
Hőszivattyú - A Legjobb Modell Kiválasztása Otthonának
Hogyan lehet eligazodni az orosz hőszolgáltató berendezések piacán elérhető rengeteg hőszivattyúban? Ma áttekintést adunk hét népszerű földhőszivattyú-modellről, amelyek célja a szolgáltatás
Hogyan Lehet Elkerülni A Hibákat, Ha Szakembert Veszünk Fel Szerződés Nélkül Javítási és építési Munkákra
Ez a cikk - emlékeztető annak, aki apró javításokat vagy magánépítéseket tervez megvalósítani. Ezek a tippek segítenek elkerülni a kellemetlen és kellemetlen helyzeteket a szervezéssel, az ellenőrzéssel és a